JP2005158530A - Fuel cell assembly - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池組立体に関し、特に7kW以下の発電性能を有する家庭用、店舗用として好適に用いられる燃料電池組立体に関する。 The present invention relates to a fuel cell assembly, and more particularly to a fuel cell assembly suitably used for home use and store use having a power generation performance of 7 kW or less.
次世代エネルギーとして、近年、固体高分子型、リン酸型、溶融炭酸塩型及び固体電解質型等の種々の燃料電池発電システムが提案されている。特に、固体電解質型燃料電池発電システムは、作動温度が700〜1000℃と高いが、発電効率が高い、排熱が利用できる等の利点を有しており、研究開発が推し進められている。 In recent years, various fuel cell power generation systems such as solid polymer type, phosphoric acid type, molten carbonate type, and solid electrolyte type have been proposed as next-generation energy. In particular, the solid oxide fuel cell power generation system has an operating temperature as high as 700 to 1000 ° C., but has advantages such as high power generation efficiency and use of exhaust heat, and research and development are being promoted.
燃料電池発電システムの典型例においては、下記特許文献1に開示されている如く、ハウジング内に発電室が規定され、かかる発電室内にセルスタックを含む発電手段が配設されている形態の燃料電池組立体を備えている。発電室には、酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給路、燃料ガスを供給するための燃料ガス供給路が付設されている。
従来の固体電解質型燃料電池組立体においては、高温の発電温度を維持するため、発電室を断熱材で囲い、発電温度低下を防止しているものの、燃料電池の運転は定常負荷運転だけでなく、需要側必要電力に応じた部分負荷運転も有効であるが、発熱量の少ない部分負荷運転ではハウジング内の温度を維持することが困難であるという問題があった。 In a conventional solid oxide fuel cell assembly, in order to maintain a high power generation temperature, the power generation chamber is surrounded by a heat insulating material to prevent a decrease in the power generation temperature, but the fuel cell operation is not limited to a steady load operation. Although partial load operation according to demand-side required power is also effective, there is a problem that it is difficult to maintain the temperature in the housing in partial load operation with a small amount of heat generation.
本発明は、ハウジング内の温度を有効に維持することができる燃料電池組立体を提供することを目的とする。 An object of this invention is to provide the fuel cell assembly which can maintain the temperature in a housing effectively.
本発明者は、上記課題に対して鋭意検討した結果、燃料電池組立体を構成するハウジングの内外に遮熱部材を配置することにより、特に、ハウジング内であってセル集合体の周囲に、蓄熱材からなる遮熱部材を配置し、ハウジング外に断熱材からなる遮熱部材を配置することにより、発熱量の少ない部分負荷運転時においても、有効にハウジング内温度を維持できることを見出し、本発明に至った。 As a result of intensive investigations on the above problems, the present inventor has arranged heat storage members inside and outside the housing constituting the fuel cell assembly, and in particular, stored heat around the cell assembly in the housing. The present invention finds that the temperature inside the housing can be effectively maintained even during partial load operation with a small amount of heat generated by arranging a heat shielding member made of a material and arranging a heat shielding member made of a heat insulating material outside the housing. It came to.
即ち、本発明の燃料電池組立体は、ハウジング内に複数の燃料電池セルを収納してなり、前記ハウジング内であって前記燃料電池セルのセル集合体の周囲、及び前記ハウジングの外面に遮熱部材を配置してなることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、ハウジングの内外に遮熱部材を配置したため、発熱量の少ない部分負荷運転時においても、有効にハウジング内温度を維持できる。 That is, the fuel cell assembly according to the present invention includes a plurality of fuel cells accommodated in a housing, and is provided with a heat shield in the housing, around the cell assembly of the fuel cells, and on the outer surface of the housing. It is characterized by arranging members. In such a fuel cell assembly, since the heat shielding member is disposed inside and outside the housing, the temperature inside the housing can be effectively maintained even during partial load operation with a small amount of heat generation.
また、本発明の燃料電池組立体は、ハウジング内に、セル集合体を取り囲むように遮熱部材を配置してなることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、セル集合体を取り囲むように遮熱部材が配置されているため、さらに有効に発電温度を維持できる。 Moreover, the fuel cell assembly of the present invention is characterized in that a heat shield member is disposed in the housing so as to surround the cell assembly. In such a fuel cell assembly, since the heat shield member is disposed so as to surround the cell assembly, the power generation temperature can be more effectively maintained.
さらに、本発明の燃料電池組立体は、ハウジング内に配置された遮熱部材は蓄熱材からなり、前記ハウジングの外面に配置された遮熱部材は断熱材からなることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、燃料電池の定常負荷運転時に高温の熱を燃料電池セルの周囲に配置された蓄熱材により蓄熱し、外部への熱放散を効果的に抑制することができ、さらにハウジングの外面に配置された断熱材からなる遮熱部材によりさらに効果的に熱放散を抑制でき、発熱量の少ない部分負荷運転時において、蓄熱材からなる遮熱部材から放熱することができ、有効に発電温度を維持できる。 Furthermore, the fuel cell assembly of the present invention is characterized in that the heat shield member arranged in the housing is made of a heat storage material, and the heat shield member arranged on the outer surface of the housing is made of a heat insulating material. In such a fuel cell assembly, high temperature heat can be stored by the heat storage material arranged around the fuel cell at the time of steady load operation of the fuel cell, and heat dissipation to the outside can be effectively suppressed, Furthermore, heat dissipation can be more effectively suppressed by a heat shielding member made of a heat insulating material arranged on the outer surface of the housing, and heat can be dissipated from the heat shielding member made of a heat storage material during partial load operation with a small amount of heat generation. The power generation temperature can be effectively maintained.
また、本発明の燃料電池組立体は、ハウジング内外の遮熱部材間にはガス流路が配設されていることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、ガス流路から外部への熱損を低減することができる。 The fuel cell assembly of the present invention is characterized in that a gas flow path is disposed between the heat shield members inside and outside the housing. In such a fuel cell assembly, heat loss from the gas flow path to the outside can be reduced.
また、本発明の燃料電池組立体は、ハウジング内外の遮熱部材間には、燃焼ガス排出流路とガス供給流路が配設されて熱交換部を構成していることを特徴とする。このような燃料電池組立体では、熱交換部により高温の燃焼ガスと低温の導入ガスが熱交換することにより低温の導入ガスが予熱されるため高温の発電温度を維持することができるとともに、燃焼ガスによる外部への熱放散を抑えることができる。燃料電池の発電に使用する燃料ガスと空気等の酸素含有ガスの容積比は酸素含有ガスの方が大きいため、対向流にて燃焼ガスと熱交換する供給ガスは酸素含有ガスが望ましい。 Further, the fuel cell assembly of the present invention is characterized in that a combustion gas discharge channel and a gas supply channel are arranged between the heat shield members inside and outside the housing to constitute a heat exchange part. In such a fuel cell assembly, the high-temperature combustion gas and the low-temperature introduction gas are heat-exchanged by the heat exchanging unit, so that the low-temperature introduction gas is preheated, so that the high-temperature power generation temperature can be maintained and the combustion is performed. Heat dissipation to the outside by gas can be suppressed. Since the volume ratio of the fuel gas used for power generation of the fuel cell and the oxygen-containing gas such as air is larger in the oxygen-containing gas, the supply gas that exchanges heat with the combustion gas in the counterflow is preferably an oxygen-containing gas.
さらに、本発明の燃料電池組立体は、蓄熱材の密度は断熱材よりも大きいことを特徴とする。このような燃料電池組立体では、蓄熱材の熱容量が大きいため発電温度を維持すべき蓄熱材で囲われた発電室を有効に高温に保持することができる。 Furthermore, the fuel cell assembly of the present invention is characterized in that the density of the heat storage material is larger than that of the heat insulating material. In such a fuel cell assembly, since the heat capacity of the heat storage material is large, the power generation chamber surrounded by the heat storage material that should maintain the power generation temperature can be effectively maintained at a high temperature.
またハウジングの外側を断熱材で囲うことにより、ハウジングを介しての外部熱損を低減し、ハウジング部での熱交換を有効に機能させることができる。 Further, by enclosing the outside of the housing with a heat insulating material, external heat loss through the housing can be reduced, and heat exchange in the housing portion can be effectively functioned.
また、本発明の燃料電池組立体は、分散型発電用として用いられることを特徴とする。例えば、1kW程度の発電性能を有する家庭用の燃料電池システムや、7kW以下の発電性能を有する店舗用の燃料電池システムに用いられる燃料電池組立体は小型であり、熱自立するため燃料電池組立体で発生する熱を有効に利用する必要があるため、本発明を有効に用いることができる。 The fuel cell assembly of the present invention is used for distributed power generation. For example, a fuel cell assembly used for a household fuel cell system having a power generation performance of about 1 kW or a store fuel cell system having a power generation performance of 7 kW or less is small in size, and the fuel cell assembly is self-sustaining. Therefore, the present invention can be used effectively.
本発明の燃料電池組立体においては、ハウジングの内外に遮熱部材を配置することにより、特に、ハウジング内であってセル集合体の周囲に、蓄熱材からなる遮熱部材を配置し、ハウジング外に断熱材からなる遮熱部材を配置することにより、セル周囲の高温の熱を蓄熱材により蓄熱するとともに、外部への熱放散を断熱材と併せて効果的に抑制することができ、分散型発電用の燃料電池組立体において、発熱量の少ない部分負荷運転時においても、有効に発電温度を維持できる。 In the fuel cell assembly of the present invention, by disposing the heat shield member inside and outside the housing, in particular, a heat shield member made of a heat storage material is arranged around the cell assembly in the housing, and the outside of the housing. By disposing a heat-insulating member made of heat insulating material to the heat storage material, high-temperature heat around the cell can be stored by the heat storage material, and heat dissipation to the outside can be effectively suppressed together with the heat insulating material. In the fuel cell assembly for power generation, the power generation temperature can be effectively maintained even during partial load operation with a small amount of heat generation.
以下、本発明の燃料電池組立体を図1、2及び図3を参照して説明する。図示の燃料電池組立体は略直方体形状のハウジング2を具備している。このハウジング2の6個の壁面の外面には適宜の断熱材から形成された断熱壁(遮熱部材)、即ち上断熱壁4、下断熱壁6、右側断熱壁8、左側断熱壁9、前断熱壁10及び後断熱壁11が配設されている。ハウジング2内には発電・燃焼室12が規定されている。
Hereinafter, the fuel cell assembly of the present invention will be described with reference to FIGS. The illustrated fuel cell assembly includes a
前断熱壁10及び/又は後断熱壁11は着脱自在或いは開閉自在に装着されており、前断熱壁10及び/又は後断熱壁11を離脱或いは開動せしめることによって発電・燃焼室12内にアクセスすることができる。所望ならば、各断熱壁の外面に金属板製でよい外壁を配設することができる。
The front
ハウジング2内の上端部には空気室(ガス室)16が配設されている。空気室16は上下方向寸法が比較的小さい直方体形状のケース17内に規定されている。空気室16には、発電・燃焼室に向かって空気(酸素含有ガス)を送り込むための空気導入管(ガス供給手段)22の上端が連通している。空気導入管22は複数本あり、その形状は円筒や中空板構造などが考えられる。図1、2では円筒の空気導入管22を記載した。空気導入管22は後述するセルスタック間に配置されており、セルの下端部において開口し、この開口部から空気が噴出する構造となっている。空気導入管22はセラミックスなどの耐熱性の高い材料で作製するのが好適である。
An air chamber (gas chamber) 16 is disposed at the upper end of the
そして、空気室16には、低温ガス供給管18からなる低温ガス供給手段が設けられており、この低温ガス供給管18は、上断熱壁4を貫通し、外部に延設されている。
The
この低温ガス供給管18は、空気室16内に供給されるガスと同一種、即ち、低温の空気を空気室16内に供給するものであり、低温ガス供給管18により供給される空気は、予熱された空気の温度よりも低温である必要がある。特には、室温程度が望ましい。
The low-temperature
低温ガス供給管18は、図2に示すように、発電ユニット56a、56b、56c及び56d、即ち、燃料電池セル集合体の中央部を冷却するような空気室16の位置に接続されている。言い換えれば、発電ユニット56a、56b、56c及び56d間に配設された空気導入管22のケース17側板への開口部集合体中央に対して、対向するケース17側板の位置に開口するように低温ガス供給管18が設けられている。
As shown in FIG. 2, the low temperature
ハウジング2の両側部、更に詳しくは右側断熱壁8の内側及び左側断熱壁9の内側には、全体として平板形状である熱交換器24が配設されている。熱交換器24の各々は実質上鉛直に延在する中空平板形態のケース26から構成されている。
A
かかるケース26内にはその横方向中間に位置する仕切板28が配設されており、ケース26内は内側に位置する排出路30と外側に位置する流入路32とに区画されている。排出路30内には上下方向に間隔をおいて3枚の仕切壁34及び36が配置されている。更に詳述すると、排出路30内には、その前縁はケース26の前壁(図示していない)から後方に離隔して位置するがその後縁はケース26の後壁(図示していない)に接続されている形態の仕切壁34と、その前縁はケース26の前壁に接続されているがその後縁はケース26の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁36とが交互に配置されており、かくして燃焼ガス排出路30はジグザグ形態にせしめられている。なお、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。
A
同様に、流入路32内にも上下方向に間隔をおいて3枚の仕切壁38及び40、即ちその前縁はケース26の前壁(図示していない)から後方に離隔して位置するがその後縁はケース26の後壁(図示していない)に接続されている形態の仕切壁38と、その前縁はケース26の前壁に接続されているがその後縁はケース26の後壁から前方に離隔して位置せしめられている仕切壁40とが交互に配置されており、かくして流入路32もジグザグ形態にせしめられている。なお、所望ならばジグザグ形態の流路以外の形態でも良い。
Similarly, the three
ケース26の内側壁の上端部には排出開口42が形成されており、排出路30は排出開口42を介して発電・燃焼室12と連通せしめられている。図示の実施形態においては、熱交換器24の各々の発電・燃焼室12側、即ち、燃料電池セル側、及び燃料電池セルの上下には、蓄熱材からなる蓄熱壁(遮熱部材)が配置されている。即ち右側蓄熱壁44a、左側蓄熱壁44b、前蓄熱壁44c及び後蓄熱壁44d、上蓄熱壁44e、下断熱壁44fが、セル集合体を取り囲むように配設されている。かかる右側蓄熱壁44a、左側蓄熱壁44bの上部には、排出開口42の下縁と実質上同高に位置して開口する開口部45が形成されており、排出開口42は開口部45を通して発電・燃焼室12に連通せしめられている。
A
ハウジング2の6個の壁面の外面に形成された断熱壁4、6、8、9、10、11は、アルミナ/シリカ系の汎用断熱材から形成されており、セル集合体を取り囲むように形成された蓄熱壁44a、44b、44c、44d、44e、44fは、密度が前記断熱材4、6、8、9、10より大きいアルミナ純度の高い断熱材から形成されている。断熱壁4、6、8、9、10、11と蓄熱壁44a、44b、44c、44d、44e、44fは同一材料から形成されていても良いが、蓄熱材の密度は断熱材よりも大きいことが望ましい。断熱壁4、6、8、9、10、11の密度は0.26g/cm3以下、蓄熱壁44a、44b、44c、44d、44e、44fの密度は0.32g/cm3以下で、両者の熱伝導率は0.1〜0.4W/(m・K)であることが望ましい。
The
ケース26の上壁における外側部には流入開口48が形成されており、流入路32はかかる流入開口48を介して空気室16に連通せしめられている。熱交換器24、流入開口48は、ガス供給流路を構成している。流入路32の各々の後方には上下方向に細長く延びる二重筒体50(図1にその上端部のみを図示している)が配設されており、かかる二重筒体50は外側筒部材52と内側筒部材54とから構成されている。排出路30の下端部は外側筒部材52と内側筒部材54との間に規定されている排出路の下端部に接続されており、流入路32の下端部は内側筒部材54内に規定されている流入路に接続されている。
An
而して、図示の燃料電池組立体における上述したとおりの構成は、本出願人の出願にかかる特願2003−295790号の明細書及び図面に開示されている燃料電池組立体と実質上同一であるので、上述した構成の詳細については上記特願2003−295790号の明細書及び図面に委ね、本明細書においては説明を省略する。 Thus, the configuration of the fuel cell assembly shown in the drawing is substantially the same as the fuel cell assembly disclosed in the specification and drawings of Japanese Patent Application No. 2003-295790 filed by the present applicant. Therefore, the details of the configuration described above are left to the specification and drawings of Japanese Patent Application No. 2003-295790, and the description thereof is omitted in this specification.
上述した発電・燃焼室の下部には4個の発電ユニット56a、56b、56c及び56dが配置されている。発電ユニット56a、56b、56c及び56dは、夫々、上述した空気導入管22間に位置せしめられている。言い換えれば、発電ユニット56a、56b、56c及び56d間に、空気導入管22が配設されている。図1、2と共に、図3、4を参照して説明を続けると、発電ユニット56aは前後方向(図1において紙面に垂直な方向)に細長く延びる直方体形状の燃料ガスケース58aを具備している。
Four
燃料ガス室を規定している燃料ガスケース58aの上面上にはセルスタック60aが装着されている。セルスタック60aは上下方向に細長く延びる直立セル62を燃料ガスケース58aの長手方向(即ち前後方向)に複数個縦列配置して構成されている。図5に明確に図示する如く、セル62の各々は電極支持基板64、内側電極層である燃料極層66、固体電解質層68、外側電極層である酸素極層70、及びインターコネクタ72から構成されている。
A
電極支持基板64は上下方向に細長く延びる柱状の板状片であり、その断面形状は平坦な両面と半円形状の両側面を有する。電極支持基板64にはこれを鉛直方向に貫通する複数個(図示の場合は6個)の燃料ガス通路74が形成されている。電極支持基板64の各々は燃料ガスケース58aの上壁上に、例えば耐熱性に優れたセラミック接着剤によって接合される。
The
燃料ガスケース58aの上壁には図1において紙面に垂直な方向に間隔をおいて左右方向に延びる複数個のスリット(図示していない)が形成されており、電極支持基板64の各々に形成されている燃料ガス通路74がスリットの各々に従って燃料ガス室に連通せしめられる。
On the upper wall of the
インターコネクタ72は電極支持基板64の片面(図5のセルスタック60aにおいて上面)上に配設されている。燃料極層66は電極支持基板64の他面(図5のセルスタック60aにおいて下面)及び両側面に配設されており、その両端はインターコネクタ72の両端に接合せしめられている。固体電解質層68は燃料極層66の全体を覆うように配設され、その両端はインターコネクタ72の両端に接合せしめられている。酸素極層70は、固体電解質層68の主部上、即ち電極支持基板64の他面を覆う部分上に配置され、電極支持基板板64を挟んでインターコネクタ72に対向して位置せしめられている。
The
セルスタック60aにおける隣接するセル62間には集電部材76が配設されており、一方のセル62のインターコネクタ72と他方のセル62の酸素極層70とを接続している。セルスタック60aの両端、即ち図5において上端及び下端に位置するセル62の片面及び他面にも集電部材76が配設されている。セルスタック60aの両端に位置する集電部材76には電力取出手段(図示していない)が接続されており、かかる電力取出手段はハウジング2の前断熱壁10、後断熱壁11、または下断熱材6を通してハウジング2外に延在せしめられている。所望ならば、セルスタック60a、60b、60c及び60dの各々に電力取出手段を配設することに代えて、適宜の接続手段によってセルスタック60a、60b、60c及び60dを相互に直列接続し、4個のセルスタック60a、60b、60c及び60dに関して共通の電力取出手段を配設することもできる。
A current collecting
セル62について更に詳述すると、電極支持基板64は燃料ガスを燃料極層66まで透過させるためにガス透過性であること、そしてまたインターコネクタ72を介して集電するために導電性であることが要求され、かかる要求を満足する多孔質の導電性セラミック(若しくはサーメット)から形成することができる。
More specifically about the
燃料極層66及び/又は固体電解質層68との同時焼成によりセル62を製造するためには、鉄属金属成分と特定希土類酸化物とから電極支持基板64を形成することが好ましい。所要ガス透過性を備えるために開気孔率が30%以上、特に35乃至50%の範囲にあるのが好適であり、そしてまたその導電率は300S/cm以上、特に440C/cm以上であるのが好ましい。
In order to manufacture the
燃料極層66は多孔質の導電性セラミック、例えば希土類元素が固溶しているZrO2(安定化ジルコニアと称されている)とNi及び/又はNiOとから形成することができる。
The
固体電解質層68は、電極間の電子の橋渡しをする電解質としての機能を有していると同時に、燃料ガスと空気とのリークを防止するためにガス遮断性を有するものであることが必要であり、通常、3〜15モル%の希土類元素が固溶したZrO2から形成されている。
The
酸素極層70は所謂ABO3型のペロブスカイト型酸化物からなる導電セラミックから形成することができる。酸素極層70はガス透過性を有していることが必要であり、開気孔率が20%以上、特に30〜50%の範囲にあることが好ましい。
The
インターコネクタ72は導電性セラミックから形成することができるが、水素ガスでよい燃料ガス及び空気と接触するため、耐還元性及び耐酸化性を有することが必要であり、このためにランタンクロマイト系のペロブスカイト型酸化物(LaCrO3系酸化物)が好適に使用される。インターコネクタ72は電極支持基板64に形成された燃料ガス通路74を通る燃料ガス及び電極支持基板64の外側を流動する空気のリークを防止するために緻密質でなければならず、93%以上、特に95%以上の相対密度を有していることが望まれる。
Although the
集電部材76は弾性を有する金属又は合金から形成された適宜の形状の部材或いは金属繊維又は合金繊維から成るフェルトに所要表面処理を加えた部材から構成することができる。
The current collecting
図4を参照して説明を続けると、発電ユニット56aは、セルスタック60aの上方を前後方向に細長く延びる長方体形状(或いは円筒形状)であるのが好都合である改質ケース78aも具備している。改質ケース78aの前面には燃料ガス送給管80aの一端即ち上端が接続されている。
Continuing the description with reference to FIG. 4, the
燃料ガス送給管80aは下方に延び、次いで湾曲して後方に延び、燃料ガス送給管80aの他端は上記燃料ガスケース58aの前面に接続されている。改質ケース78aの後面には被改質ガス供給管82aの一端が接続されている。被改質ガス供給管82aは改質ケースから下方に延び、ハウジング2の下を通ってハウジング2外に延出している。
The fuel
被改質ガス供給管82aは都市ガス等の炭化水素ガスでよい被改質ガス供給源(図示していない)に接続されており、被改質ガス供給管82aを介して改質ケース78aに被改質ガスが供給される。改質ケース78a内には燃料ガスを水素リッチな燃料ガスに改質するための適宜の改質触媒が収容されている。
The to-be-reformed
図示の実施形態においては、改質ケース78aは燃料ガス送給管80aを介して燃料ガスケース58aに接続され、これによって所要位置に保持されているが、所要ならば、図4に二点鎖線で図示する如く、例えば上記被改質ガス供給管82aの下面と燃料ガスケース58aの後端部下面或いは後面との間に適宜の支持部材84aを付設することもできる。
In the illustrated embodiment, the reforming
図3において説明すると、発電ユニット56cは上述した発電ユニット56aと実質上同一であり、発電ユニット56b及び56dは、発電ユニット56a及び56cに対して前後方向が逆に配置されていること、従って改質ケース78b及び78dと燃料ガスケース58b及び58dとを接続する燃料ガス送給管(図示していない)が後側に配置され、被改質ガス供給管82b及び82dが改質ケースから下方に延び、ハウジング2の下を通ってハウジング2外に延出している。
Referring to FIG. 3, the
上述したとおりの燃料電池組立体においては、被改質ガスが被改質ガス供給管82a、82b、82c、82dを介して改質ケース78a、78b、78c及び78dに供給され、改質ケース78a、78b、78c及び78d内において水素リッチな燃料ガスに改質された後に、燃料ガス送給管80a、80b、80c、80dを通して燃料ガスケース58a、58b、58c及び58d内に規定されている燃料ガス室に供給され、次いでセルスタック60a、60b、60c及び60dに供給される。
In the fuel cell assembly as described above, the gas to be reformed is supplied to the reforming
セルスタック60a、60b、60c及び60dの各々においては、酸素極において、
1/2O2+2e−→O2−(固体電解質)
の電極反応が生成され、燃料極において、
O2−(固体電解質)+H2→H2O+2e−
の電極反応が生成されて発電される。
In each of the
1 / 2O 2 + 2e − → O 2− (solid electrolyte)
The electrode reaction of
O 2− (solid electrolyte) + H 2 → H 2 O + 2e −
The electrode reaction is generated and power is generated.
発電に使用されることなくセルスタック60a、60b、60c及び60dから上方に流動した燃料ガス及び空気は、起動時に発電・燃焼室12内に配設されている点火手段(図示していない)によって点火されて燃焼される。周知の如く、セルスタック60a、60b、60c及び60dにおける発電に起因して、そしてまた燃料ガスと空気との燃焼に起因して発電・燃焼室12内は例えば1000℃程度の高温になる。改質ケース78a、78b、78c及び78dは発電・燃焼室12内に配設され、セルスタック60a、60b、60c及び60dの直ぐ上方に位置せしめられており、燃焼炎によって直接的にも加熱され、かくして発電・燃焼室12内に生成される高温が被改質ガスの改質に効果的に利用される。
Fuel gas and air that have flown upward from the
発電・燃焼室12内に生成された燃焼ガスは熱交換器24に形成されている排出開口42から排出路30に流入し、ジグザグ状に延在する排出路30を流動した後に二重筒体50の外側筒部材52と内側筒部材54との間に規定されている排出路を通して排出される。燃焼ガスが二重筒体50における排出路を流動する際には、二重筒体50における流入路を空気が流動し、燃焼ガスと空気との間で熱交換が行われる。
The combustion gas generated in the power generation /
そしてまた、燃焼ガスが熱交換器24の排出路30をジグザグ状に流動せしめられる際には、空気が熱交換器24の流入路32をジグザグ状に対向するように流動せしめられる。かくして燃焼ガスと空気との間で効果的に熱交換されて空気が予熱される。
Further, when the combustion gas is caused to flow in the
長期間に渡って発電を遂行することによってセルスタック60a、60b、60c及び60dの一部或いは全部が劣化した場合には、ハウジング2の前断熱壁10或いは後断熱壁11を離脱或いは開動せしめ、発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部をハウジング2内から取り出す。
When part or all of the
そして、発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部を新しいものに交換して、或いは発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部におけるセルスタック60a、60b、60c及び60dのみを新しいものに交換して、再びハウジング2内の所要位置に装着すればよい。発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部あるいは全部における改質ケース78a、78b、78c及び78d内に収容されている改質触媒を交換することが必要な場合にも、発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部をハウジング2内から取り出し、発電ユニット56a、56b、56c及び56dの一部或いは全部における改質ケース78a、78b、78c及び78d自体を新しいものに或いは改質ケース78a、78b、78c及び78d内の改質触媒のみを新しいものに交換すればよい。
Then, replace some or all of the
改質ケース78a、78b、78c及び78d内の改質触媒の交換を充分容易に遂行し得るようになすために、所望ならば改質ケース78a、78b、78c及び78dの一部を開閉自在な扉にせしめることができる。
In order to be able to perform the replacement of the reforming catalyst in the reforming
一方、空気は二重筒体50の内側筒部材54内に規定されている流入路を通して熱交換器24の流入路32に供給され、熱交換器24を通過して予熱(加熱)された空気は、空気室16に一旦貯留され、空気導入管22を通って燃焼・発電室12のセルスタック間に供給される。この際、空気導入管22はセルスタック60の燃料電池セル62の上端の燃料ガス通路74近傍で燃焼する燃焼ガス雰囲気中を通過する。従って、空気室16の予熱空気はセルスタック60上部の燃焼領域でさらに加熱され、高温に暖められた空気がセルに供給される。
On the other hand, air is supplied to the
通常運転時は前記熱交換器24で予熱された空気が空気室16に導入され、この空気室16から空気導入管22を用いて燃焼・発電室12へ空気が導入されるが、発電室の温度が想定以上に上昇した場合は、前記熱交換器24を通らない低温ガス供給管18を通ってきた低温の空気が空気室16に導入され、熱交換器24を通過して予熱された空気と混合されて、空気室16の空気温度がある程度低下する。この空気を発電室12、即ち、セルスタック間に供給することにより、通常運転時より温度の低い空気がセルスタック間に導入されるので、発電室12、即ち燃料電池セルの過度に上昇した温度が低下されるので、発電室内の温度を適宜にコントロールできる良好な燃料電池組立体が提供される。
During normal operation, air preheated by the
また、空気室16内の空気温度は、低温ガス供給管18から供給された外気と、熱交換器24を通過して予熱された空気と混合されるため、室温ほど低温の空気ではないので、熱い燃料電池セル60に供給しても、燃料電池セル60のクラックや熱衝撃破壊を引き起こすなどの不具合を避けることが出来るので、燃料電池発電システム全体の機能劣化が抑えられ寿命が延ばすことができる。
Moreover, since the air temperature in the
さらに、低温ガス供給管18による低温ガスの供給を、空気供給管22の開口部中央部に向けて供給することにより、さらに、両側の熱交換器から加熱された空気を開口部中央部に向けて供給することにより、最も加熱しやすいセル集合体の中央部に空気供給管22により供給される空気を最も低温とでき、中央部から離れるに従って高い温度とすることができ、最適な冷却手段とすることができる。
Furthermore, by supplying the supply of the low temperature gas from the low temperature
そして、本発明の燃料電池組立体では、ハウジング2内であってセル集合体の周囲に、蓄熱壁44a、左側蓄熱壁44b、前蓄熱壁44c及び後蓄熱壁44d、下蓄熱壁44e、上断熱壁44fを、ハウジング2の外面に上断熱壁4、下断熱壁6、右側断熱壁8、左側断熱壁9、前断熱壁10及び後断熱壁11を配置することにより、セル周囲の高温の熱を蓄熱壁により蓄熱するとともに、外部への熱放散を蓄熱壁及び断熱材と併せて効果的に抑制することができ、分散型発電用の燃料電池組立体において、発熱量の少ない部分負荷運転時においても、有効に発電温度を維持できる。
In the fuel cell assembly of the present invention, the
即ち、分散型発電用の燃料電池組立体では発電量は少ないため小型であり、定常運転時には熱自立し、効果的に発電するが、燃料ガス量を少なくして発電量を少なくした場合、発熱量が少なくなり、熱自立しなくなる傾向にあるが、本発明では、断熱壁によりハウジング内に熱を有効に閉じ込め、定常運転時の高温の熱を蓄熱壁に吸収させ、部分負荷運転し発熱量が少なくなった場合に熱を放散させ、ハウジング内の温度を有効に維持できる。 In other words, the fuel cell assembly for distributed power generation is small because the power generation amount is small, and is self-sustaining in the normal operation and generates power effectively. However, if the power generation amount is reduced by reducing the fuel gas amount, In the present invention, the heat is effectively confined in the housing by the heat insulating wall, the high-temperature heat in the steady operation is absorbed by the heat storage wall, the partial load operation is performed, and the heat generation amount is reduced. When the temperature decreases, heat can be dissipated and the temperature inside the housing can be effectively maintained.
以上、添付図面を参照して本発明の好適実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく種々の変形乃至修正が可能であることは多言するまでもない。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to such embodiments, and various modifications and corrections can be made without departing from the scope of the present invention. It goes without saying that this is possible.
例えば、セルスタックの上方に特定の改質ケースを備えた燃料電池組立体に関連せしめて本発明を説明したが、改質ケースがセルスタックの上方以外の場合でも、本発明を適用することが出来る。また、改質ケースをハウジング内に設けない場合であっても良い。 For example, the present invention has been described in relation to a fuel cell assembly having a specific reforming case above the cell stack. However, the present invention can be applied even when the reforming case is not located above the cell stack. I can do it. Moreover, the case where a reforming case is not provided in a housing may be sufficient.
また、上記形態では、空気室に低温ガス供給手段を設け、空気供給管により、燃料電池セルの外面に空気を供給する場合について説明したが、本発明は、空気供給管により燃料電池セルの内部に空気を供給するようにしても良いことは勿論である。尚、この場合、燃料電池セルの内側には空気極が、外側には燃料極が形成されることは言うまでもない。 Further, in the above embodiment, a case has been described in which low temperature gas supply means is provided in the air chamber and air is supplied to the outer surface of the fuel cell by the air supply pipe. However, the present invention provides the inside of the fuel cell by the air supply pipe. Of course, air may be supplied to the air. In this case, it goes without saying that an air electrode is formed inside the fuel cell and a fuel electrode is formed outside.
また、上記形態では、空気室に低温ガス供給手段を設けた例について説明したが、燃料ガス室に低温ガス供給手段を設け、燃料ガスにより燃料電池セルを冷却するようにしてもよいことは勿論である。 Further, in the above embodiment, an example in which the low temperature gas supply means is provided in the air chamber has been described. However, it is of course possible to provide the low temperature gas supply means in the fuel gas chamber and cool the fuel cell with the fuel gas. It is.
さらに、上記形態では、燃料電池セルの上方で燃料ガスと空気が反応して燃焼する場合について説明したが、本発明では、燃焼しない場合であっても良いことは勿論である。 Furthermore, although the case where fuel gas and air react and burn above the fuel battery cell has been described in the above embodiment, the present invention may of course not burn.
2:ハウジング
4、6、8、9、10、11:断熱壁
12:発電・燃焼室
16:空気室(ガス室)
18:低温ガス供給手段
22:空気供給管(ガス供給管)
24:熱交換器
44a、44b、44c、44d、44e、44f:蓄熱壁
56a、56b、56c及び56d:発電ユニット
58a、58b、58c及び58d:燃料ガスケース
60a、60b、60c及び60d:セルスタック
62:燃料電池セル
78a、78b、78c及び78d:改質ケース
2:
18: Low temperature gas supply means 22: Air supply pipe (gas supply pipe)
24:
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